Đúc hẫng cân bằng là phương pháp xây cầu dầm hộp bê tông nhịp lớn mà không cần chống đỡ từ mặt đất hay lòng sông: từ đỉnh mỗi trụ, người ta đúc dần từng đốt dầm sang hai phía cùng lúc bằng hai xe đúc, mỗi đốt mới được căng cáp dự ứng lực neo vào phần đã có, cho tới khi hai cánh hẫng từ hai trụ gặp nhau ở giữa nhịp và được nối lại bằng đốt hợp long.
Phương pháp này cho phép vượt nhịp vài chục tới hơn một trăm mét qua sông có tàu thuyền, qua thung lũng sâu, nơi dựng đà giáo là không thể hoặc quá tốn. Nhiều cầu dầm hộp liên tục qua sông lớn ở Việt Nam được xây bằng cách này. Bài viết giải thích trình tự, vì sao phải giữ cân bằng, và vì sao đốt hợp long được xem là thời điểm quan trọng nhất của cả công trình.
Vì sao gọi là hẫng và vì sao phải cân bằng
Một cánh hẫng giống như một cánh tay dang ra từ thân trụ, chỉ được giữ ở một đầu. Khi đúc thêm đốt ở đầu cánh, mômen uốn tại đỉnh trụ tăng nhanh theo bình phương chiều dài hẫng. Thớ trên của dầm bị kéo, nên cáp dự ứng lực ở giai đoạn này đi ở bản trên, mỗi đốt mới có thêm cáp neo vào, gọi chung là cáp đúc hẫng hay cáp chịu mômen âm.
Nếu chỉ đúc về một phía, trụ sẽ bị uốn nghiêng và có thể lật. Vì vậy hai xe đúc ở hai phía trụ làm việc gần như đồng thời, đúc những đốt có trọng lượng tương đương, để mômen hai bên triệt tiêu nhau. Trên thực tế không bao giờ cân bằng tuyệt đối: một bên có thể đổ bê tông xong trước vài giờ, xe đúc có thể di chuyển lệch nhau, vật liệu chất trên một cánh. Thiết kế quy định mức mất cân bằng tối đa cho phép và các trường hợp bất lợi như một xe đúc bị rơi để kiểm tra trụ và hệ neo tạm.
Đó là lý do trên công trường đúc hẫng, việc chất vật liệu, đặt máy móc trên cánh hẫng phải theo quy định; người chỉ huy luôn biết lúc nào bên nào đang nặng hơn.
Khối đỉnh trụ và neo tạm: điểm xuất phát
Khối trên đỉnh trụ, thường gọi là khối K0, là đốt đầu tiên và lớn nhất, nơi hai xe đúc sẽ được lắp lên. Trình tự làm khối này:
- Lắp giá đỡ hoặc đà giáo mở rộng từ thân trụ hoặc từ bệ để đỡ ván khuôn khối K0, vì khối này rộng hơn đỉnh trụ nhiều.
- Đặt gối cầu và các gối tạm hoặc thanh neo tạm. Với cầu dầm liên tục kê trên gối, khối K0 phải được liên kết tạm cứng với trụ bằng thanh dự ứng lực thẳng đứng và gối tạm bằng bê tông, để cả cánh hẫng không xoay quanh gối trong lúc đúc.
- Lắp cốt thép, ống gen, neo của nhiều nhóm cáp sẽ dùng cho các đốt sau; đổ bê tông khối K0, thường là khối lớn phải kiểm soát nhiệt.
- Căng các cáp đầu tiên, tháo đà giáo đỡ khi đủ điều kiện.
- Lắp hai xe đúc lên mặt khối K0, mỗi xe hướng về một phía, thử tải xe đúc theo quy định trước khi đúc đốt đầu.
Với cầu khung, dầm và trụ đúc liền khối nên không cần neo tạm. Còn với cầu dầm liên tục, thanh neo tạm chỉ được tháo sau khi hợp long, khi kết cấu đã liên tục và ổn định. Tháo nhầm thứ tự là sai lầm nghiêm trọng.
Chu kỳ một đốt đúc bằng xe đúc
Xe đúc là một khung thép treo ván khuôn vươn ra khỏi đầu cánh hẫng, neo vào đốt vừa đúc. Mỗi đốt dài vài mét, chu kỳ của một đốt lặp lại nhiều lần:
- Di chuyển xe đúc: tháo neo, đẩy xe tiến lên trên ray đặt trên mặt đốt trước, neo xe lại vào vị trí mới.
- Điều chỉnh cao độ ván khuôn: đặt ván đáy và ván thành theo cao độ thi công đã tính, không phải cao độ hoàn thiện. Đây là chỗ quan trọng nhất của mỗi chu kỳ.
- Lắp cốt thép, ống gen, neo: cốt thép của dầm hộp gồm bản đáy, hai sườn và bản mặt; ống gen phải đúng toạ độ, nối kín.
- Đổ bê tông: thường đổ bản đáy trước, sườn sau, bản mặt cuối cùng, hai phía trụ đổ gần đồng thời.
- Bảo dưỡng và chờ cường độ: bê tông phải đạt cường độ quy định mới được căng cáp; có nơi dùng phụ gia hoặc bảo dưỡng nhiệt để rút ngắn.
- Căng cáp đốt: căng các bó cáp neo ở đầu đốt mới, ghi lực căng và độ giãn dài, bơm vữa theo kế hoạch.
- Đo cao độ: sau khi căng, đo cao độ đầu cánh hẫng để so sánh với tính toán và hiệu chỉnh cho đốt sau.
Chu kỳ một đốt thường khoảng một tuần, có thể nhanh hoặc chậm hơn tuỳ đội thi công, thời tiết và chiều dài đốt. Một cánh hẫng có mười mấy đốt mỗi phía nghĩa là nhiều tháng làm việc trên cùng một trụ, với hai xe đúc lặp lại cùng một chuỗi việc.
Cao độ thi công và độ vồng: đúc cao hơn để cuối cùng nằm đúng
Nếu đúc mỗi đốt đúng ở cao độ mặt cầu hoàn thiện, đầu cánh hẫng sẽ võng xuống dưới mức cần thiết khi có thêm các đốt sau, khi hợp long, khi đổ lớp phủ mặt cầu và sau nhiều năm do từ biến, co ngót của bê tông. Vì vậy mỗi đốt được đúc cao hơn cao độ hoàn thiện một lượng gọi là độ vồng thi công, được tính trước bằng chương trình phân tích theo giai đoạn.
Tính toán chỉ là dự đoán. Mô đun đàn hồi thật của bê tông, trọng lượng thật của xe đúc, lực căng thật, nhiệt độ lúc đo đều khác với giả định. Do đó đơn vị thi công và tư vấn phải đo cao độ ở các thời điểm quy định, so sánh với dự báo, và hiệu chỉnh cao độ ván khuôn cho các đốt tiếp theo. Việc đo thường được làm vào sáng sớm, khi nhiệt độ dầm đều nhất, vì nắng chiếu một mặt có thể làm cánh hẫng cong đi đáng kể chỉ trong vài giờ.
Khi hai cánh hẫng tiến lại gần nhau ở giữa nhịp, sai lệch tích luỹ hiện ra rõ nhất: hai đầu có thể chênh nhau về cao độ hoặc lệch nhau theo phương ngang. Một chương trình theo dõi tốt sẽ giữ sai lệch này trong phạm vi nhỏ để đốt hợp long có thể nối êm mà không phải kích kéo hai cánh quá nhiều.
Hợp long: nối hai cánh hẫng thành một dầm liên tục
Đốt hợp long là đốt ngắn nối hai đầu cánh hẫng ở giữa nhịp. Trước khi đổ, người ta điều chỉnh để hai đầu bằng cao độ và thẳng tuyến, có khi dùng đối trọng như bồn nước đặt trên cánh để kéo đầu cánh xuống, rồi lắp khung thép cứng nối tạm hai đầu, giữ chúng không dịch chuyển tương đối trong lúc bê tông đông cứng. Khung tạm này rất quan trọng vì nhiệt độ thay đổi trong ngày làm hai cánh co giãn, nếu không khoá lại thì bê tông non sẽ bị kéo nứt.
Bê tông hợp long thường được đổ vào thời điểm nhiệt độ ổn định và thấp trong ngày, theo chỉ định của thiết kế, và trong lúc đổ người ta xả dần đối trọng tương ứng với lượng bê tông vào để giữ tải không đổi. Sau khi bê tông đủ cường độ, cáp dự ứng lực ở bản đáy, gọi là cáp chịu mômen dương hay cáp liên tục, được căng để kết cấu làm việc như dầm liên tục.
Thứ tự hợp long cũng do thiết kế quy định: thường hợp long nhịp biên với phần đúc trên đà giáo ở gần mố trước, rồi các nhịp giữa sau. Mỗi lần hợp long làm thay đổi sơ đồ chịu lực của toàn cầu, nên không được đảo thứ tự. Tháo neo tạm ở đỉnh trụ, chuyển cầu từ gối tạm sang gối chính thức cũng theo trình tự chặt chẽ sau hợp long.
An toàn khi đúc hẫng trên sông
Công trường đúc hẫng là công trường làm việc trên cao kéo dài nhiều tháng, ngay trên luồng tàu. Những yêu cầu cơ bản:
- Sàn công tác của xe đúc có lan can kín, lưới chắn vật rơi phía dưới; dụng cụ, vật liệu nhỏ không để rời trên mép.
- Người làm việc ở đầu cánh hẫng luôn móc dây an toàn; lối đi từ trụ ra đầu cánh có tay vịn.
- Kiểm tra neo xe đúc trước khi đổ bê tông và sau mỗi lần di chuyển; sự cố tuột neo xe đúc là loại sự cố có hậu quả rất nặng.
- Khi căng cáp, không ai đứng phía sau kích hay đối diện đầu neo; khu vực căng được rào và có người canh.
- Phối hợp với cơ quan quản lý đường thuỷ để thông báo, đặt phao báo hiệu, hạn chế tàu thuyền đi dưới cánh hẫng khi đổ bê tông, di chuyển xe đúc.
- Theo dõi dự báo gió bão; có quy trình neo giữ xe đúc, rút người khi thời tiết xấu.
Mọi biện pháp an toàn cụ thể nằm trong hồ sơ biện pháp được phê duyệt của từng công trình. Người mới vào nghề không nên đi ra đầu cánh hẫng khi chưa được hướng dẫn và chưa có người đi kèm.
Một biến thể: lắp hẫng bằng đốt đúc sẵn
Thay vì đổ bê tông tại chỗ trong xe đúc, một số cầu dầm hộp được thi công bằng cách lắp hẫng các đốt đúc sẵn. Các đốt được đúc trong bãi theo phương pháp đúc khớp, tức là mỗi đốt mới được đúc áp sát vào mặt đốt trước để hai mặt tiếp giáp khớp nhau hoàn toàn. Sau đó từng đốt được chở ra, nâng lên bằng giá lắp hoặc cẩu, quét keo epoxy lên mặt tiếp giáp, ép sát vào đốt đã có và căng cáp.
Ưu điểm là chất lượng bê tông được kiểm soát trong bãi, tiến độ lắp nhanh hơn vì không phải chờ bê tông đông cứng tại đầu cánh, và các đốt có thể được chế tạo song song với việc làm móng, trụ. Đổi lại cần bãi đúc lớn, thiết bị nâng đốt nặng, và yêu cầu hình học rất chặt: sai một chút ở mặt khớp sẽ tích luỹ dọc cánh hẫng, khó sửa hơn nhiều so với đổ tại chỗ, nơi có thể chỉnh ván khuôn ở đốt sau.
Lựa chọn giữa đúc tại chỗ và lắp đốt đúc sẵn phụ thuộc số lượng đốt, khả năng vận chuyển, thiết bị và tiến độ yêu cầu. Cầu có nhiều nhịp giống nhau, gần nơi có mặt bằng làm bãi đúc lớn, hay ở đô thị cần giảm thời gian làm việc trên cao, là những trường hợp hay cân nhắc lắp hẫng đốt đúc sẵn.
Câu hỏi thường gặp
Cầu đúc hẫng có phải là cầu dây văng không?
Không. Đúc hẫng là phương pháp thi công, còn dây văng là loại kết cấu. Cầu dầm hộp bê tông thường được đúc hẫng; dầm cầu dây văng cũng có thể thi công theo kiểu hẫng từ tháp, nhưng mỗi đốt được đỡ thêm bằng dây văng chứ không chỉ bằng cáp trong dầm.
Vì sao dầm hộp đúc hẫng cao ở trụ và thấp ở giữa nhịp?
Mômen âm lớn nhất tập trung ở đỉnh trụ, nhỏ dần về giữa nhịp, nên dầm được làm cao ở trụ để chịu lực và thấp dần để giảm trọng lượng. Đáy dầm thường cong theo dạng parabol, tạo dáng đặc trưng của cầu dầm liên tục nhịp lớn.
Một đốt đúc hẫng dài bao nhiêu?
Thường vài mét, đốt gần trụ ngắn hơn vì dầm cao và nặng, đốt xa trụ dài hơn vì dầm thấp và nhẹ. Chiều dài đốt bị giới hạn bởi sức chịu của xe đúc. Số liệu cụ thể theo hồ sơ thiết kế từng cầu.
Hợp long vào lúc nào trong ngày?
Thời điểm do thiết kế chỉ định, thường là lúc nhiệt độ thấp và ổn định như ban đêm hoặc sáng sớm, để bê tông hợp long đông cứng trong khi hai cánh ít co giãn nhất. Khung thép khoá tạm giữ hai đầu không dịch chuyển trong lúc đó.
Nếu hai cánh hẫng lệch nhau lúc hợp long thì sao?
Sai lệch nhỏ được xử lý bằng đối trọng, kích chỉnh ngang hoặc dọc trước khi khoá khung tạm. Sai lệch lớn là dấu hiệu theo dõi cao độ có vấn đề từ trước, phải được thiết kế đánh giá và đưa ra phương án; không được ép hai cánh vào nhau tuỳ tiện.
Kỹ sư mới nên học gì để tham gia đúc hẫng?
Nên nắm chắc nguyên lý dự ứng lực, đọc hiểu bản vẽ bố trí cáp và các giai đoạn thi công, biết cách đo cao độ và ghi chép. Sau đó theo một chu kỳ đốt từ đầu đến cuối với kỹ sư có kinh nghiệm, ghi lại từng bước và lý do của nó.